Проект "Ядерные двигатели для самолетов и ракет"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа с. Осиновка»

Михайловского муниципального района

Приморского края

Индивидуальный итоговый проект выпускника 11-го класса

Тема: «Ядерные двигатели для самолетов и ракет» 

Работу выполнил:

обучающийся 11 класса

ФИ обучающегося:

Тураев Арсений

Руководитель проекта:

Гараш Светлана Анатольевна,

учитель физики МБОУ СОШ

с. Осиновка

Осиновка, 2021 г.

Содержание

Введение……………………………………………………………………

1. История создания ядерных ракет и двигателей самолетов…............

2. Конструкция ядерного ракетного двигателя……………………........

3. «Буревестник» и «Посейдон»………………………………….............

3.1. Буревестник…………………………………………………..............

3.2.  Посейдон…………………………………………………………….

4.Модернизация ядерных боеприпасов…………………………….........

5. Исследование……………………………………………......................

Заключение…………………………………………………………………

Список литературы………………………………………………….......

Приложения…………………………………………………………………

Введение

    Актуальность исследования: жидкостные ракетные двигатели дали возможность выйти человеку в космос — на околоземные орбиты. Но скорость истечения реактивной струи в ЖРД не превышает 4,5 км/с, а для полетов на другие планеты нужны десятки километров в секунду. Возможным выходом является использование энергии ядерных реакций.

Двигатели: жидкостный ракетный двигатель (далее - ЖРД), твердотопливный ракетный двигатель (далее - ТТРД), ионный ракетный двигатель (далее - ИРД); эффективно проявляют себя уже второе столетие. Они применяются в космонавтике, выполняя важнейшие для человечества задачи. Рациональных альтернатив они в данный момент не имеют.

Объект исследования: существующие ядерные ракетные двигатели.

Предмет исследования: литература на тему «Ракетостроение».

Цель работы: овладеть знаниями о реактивном движении и ядерных ракетных двигателях.

    Задачи:

- изучить историю ядерных двигателей;

- рассмотреть ядерные ракетные двигатели и их использование в современности.

- составить вопросы

- сделать исследование в виде опроса и провести его

- сделать вывод

Методы работы над проектом

Теоретические – анализ и синтез научной и учебной литературы по теме проекта.

Теоретическая значимость проекта заключается в том, что привлекается внимание к использованию ядерных двигателей в самолетах и ракетах.

Практическая значимость проекта состоит в возможности использования выводов и материалов в научно-исследовательской работе при проведении просветительской работы среди обучающихся в целях повышения знаний о двигателе - и ракетостроении.

1. История создания ядерных ракет и двигателей самолетов

Практическое создание ядерных ракетных двигателей (ЯРД) вели только СССР и США.

Первыми проработку вопроса ядерной энергоустановки для летательных аппаратов начали Соединенные Штаты. В мае 1946 года стартовала программа NEPA (NuclearEnergyforthePropulsionofAircraft – «Ядерная энергия для движения летательных аппаратов»), позже преобразованная в проект ANP (AircraftNuclearPropulsion). Целью этих программ являлось изучение возможностей и последующее создание авиационного двигателя, построенного на основе ядерного реактора.

Расчеты показывали, что ядерное топливо гораздо эффективнее химичес-кого. Самолет с атомным двигателем в теории мог показывать неограничен-ную дальность полета – такие возможности требовались для эффективного поражения объектов вероятного противника. Также ожидалась возможность повышения скорости полета. Будущие ЯСУ планировалось использовать на разной технике, в первую очередь на стратегических бомбардировщиках.

Первые несколько лет ушли на теоретическую проработку и поиски путей решения поставленной задачи. К программе NEPA / ANP привлекли целый ряд ведущих научно-исследовательских и производственных предприятий. К середине пятидесятых годов начались первые практические эксперименты. Первой работой такого рода стал проект AircraftReactorExperiment.

Одной из главных задач в рамках NEPA / ANP было сокращение габаритов и массы реактора в соответствии с ограничениями самолета-платформы. Для уменьшения таких характеристик требовалось применять новые решения. Проект ARE предлагал строительство реактора с тепловой мощностью 2,5 МВт. Для охлаждения активной зоны предусматривалось использование смеси расплавленных солей – это был первый в мире реактор такого рода. Во втором контуре использовался жидкий натрий.

В 1954 году опытный реактор ARE проработал на заданном режиме 1000 часов и показал свои возможности. Тем не менее, вскоре от него отказались. К этому времени были получены обнадеживающие результаты в области межконтинентальных баллистических ракет, которые оказывались проще и эффективнее бомбардировщиков с ядерными двигателями. Проект ARE остановили, но наработки по нему использовали при создании новых реакторов.

В 1955 году в США началась реализация программы «Rover» по разработке ядерного ракетного двигателя для космических кораблей. Через три года, в 1958 году, проектом стало заниматься НАСА, которое поставило конкретную задачу для кораблей с ЯРД — полет на Луну и Марс. С этого времени программа стала называться NERVA, что расшифровывается как — «ядерный двигатель для установки на ракеты».

До начала шестидесятых годов продолжались споры о перспективах проекта, но затем было принято решение о его остановке. Атомные самолеты оказались слишком сложным, дорогими и опасными. Вашингтон предпочел им другие виды стратегического вооружения.

Летающая лаборатория NB-36H оказалась единственным американским летательным аппаратом, поднимавшимся в воздух с работающим реактором на борту. При помощи этого самолета планировалось собрать данные для разработки ЯСУ под перспективный бомбардировщик Convair X-6. Однако этот проект закрыли в 1961 году, задолго до строительства опытного образца. Тогда же остановили работы по проекту бомбардировщика WS-125. В 1964 году Пентагон окончательно отказался от ракеты SLAM и двигателя Pluto / Tory. До этого времени крылатая ракета так и не успела выйти на испытания.

К середине 70-х годов в рамках этой программы предполагалось спроектировать ЯРД с тягой около 30 тонн (для сравнения у ЖРД этого времени характерная тяга была примерно 700 тонн), но со скоростью истечения газов — 8,1 км/с. Однако, в 1973 году программа была закрыта из-за смещения интересов США в сторону космических челноков.

В СССР проектирование первых ЯРД велось во второй половине 50-х годов. При этом советские конструкторы, вместо создания полномасштабной модели, стали делать отдельные части ЯРД. А потом эти наработки испыты-вались во взаимодействии со специально разработанным импульсным графи-товым реактором (ИГР).

В 1956 году вышло постановление Совмина, согласно которому ОКБ А.Н. Туполева поручалась разработка летающей лаборатории на базе серийного бомбардировщика Ту-95. По сути, конструкторам предстояло вписать новые устройства в существующий планер. Ввиду объективных ограничений такая задача была достаточно сложной. Экспериментальный образец остался в истории под обозначениями Ту-95ЛАЛ («Летающая атомная лаборатория») и «119» (также Ту-119).

В 70—80-е годы прошлого века в КБ «Салют», КБ «Химавтоматики» и НПО «Луч» были созданы проекты космических ЯРД РД-0411 и РД-0410 с тягой 40 и 3,6 т соответственно. В течение процесса проектирования были изготовлены реактор, «холодный» двигатель и стендовый прототип для проведения испытаний.

В 1965 году Совмин постановил разработать на базе транспортника Ан-22 самолет противолодочной обороны, способный длительное время оставаться в воздухе. Проект Ан-22ПЛО предусматривал использование одного реактора в фюзеляже и четырех двигателей НК-14А. С их помощью машина могла бы выполнять патрулирование в течение 50 ч; не исключалось и дальнейшее увеличение времени работы.

Проект Ан-22ПЛО столкнулся с затруднениями технического характера. Самолет получался слишком тяжелым, из-за чего пришлось переработать биологическую защиту. В 1970 году провели эксперимент, в ходе которого Ан-22 сделал несколько вылетов с точечным источником радиации на борту. Радиоактивный материал закрыли защитой новой конструкции, и она подтвердила свои характеристики. В 1972 году лаборатория на базе Ан-22 выполняла полеты с готовым реактором в грузовом отсеке, при этом осуществлялось отслеживание всех параметров. Полноценная ЯСУ не была построена и не испытывалась.

Проектирование Ан-22ПЛО так и не завершилось, опытный образец не строился. За несколько лет проект проделал определенный путь, но затем остановился без какой-либо надежды на возобновление. Отдельные исследования продолжались, однако теперь заказчик более не проявлял интереса к ядерным самолетам.

Как видим, развитие ядерных силовых установок для летательных аппаратов в СССР и США шло немного разными путями, но привело к одинаковым результатам. Проводились различные эксперименты и строились опытные образцы, но финал был далек от ожидаемого. Ни один из смелых проектов не смог дойти до внедрения на практике. Оборонные предприятия двух стран, развивая разные проекты, столкнулись с одними и теми же проб-лемами.
В первую очередь, развитию ядерных двигателей помешала общая сложность таких проектов. Конструкторы должны были создать компактный, но мощ-ный реактор, специальную модификацию турбореактивного или турбовин-тового двигателя, а также средства для их соединения. Также реактор и каби-на нуждались во всей необходимой защите. При переработке существующей техники или в ходе создания новых самолетов следовало учитывать нега-тивное влияние излучения на планер и самолетные системы.

В отличие от «обычных» самолетов, атомные нуждались в особой инф-раструктуре. Те или иные системы требовались для обслуживания реактора, замены топлива, хранения опасных компонентов и т.д. Таким образом, для развертывания новых самолетов требовалась глубокая модернизация аэро-дрома или даже строительство нового объекта с нуля. Применение гидро-аэродрома, как в проекте М-60М, давало некоторые преимущества, но вместе с тем приводило к новым затруднениям.

Все конструкции авиационных ЯСУ представляли ту или иную радиа-ционную опасность, что предъявляло особые требования в контексте эксплуатации. Кроме того, самолет или ракета оказывались чрезвычайно опасными в случае аварии. Крушение грозило обернуться настоящей катастрофой. Для исключения таких последствий предлагались разные решения, но все они приводили к очередному усложнению проектов.

Таким образом, летательные аппараты с ядерной силовой установкой имели специфическое соотношение положительных и отрицательных качеств. В теории, они могли показывать высокие летно-технические характеристики и достигать цели на стратегических дальностях. На этом преимущества заканчивались. Летательный аппарат получался крайне сложным и дорогим во всех отношениях. Мало того, он был опасен не только для вероятного противника, но и для эксплуатанта.

2. Конструкция ядерного ракетного двигателя

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак).

Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:

твердофазный;

жидкофазный;

газофазный.

Наиболее законченным является твердофазный вариант двигателя. На рисунке изображена схема простейшего ЯРД с реактором на твердом ядерном горючем. Рабочее тело располагается во внешнем баке. С помощью насоса оно подается в камеру двигателя. В камере рабочее тело распыляется с помощью форсунок и вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным топливом. Нагреваясь, оно расширяется и с огромной скоростью вылетает из камеры через сопло.

Рис. 1.. Принцип действия ЯРД

Жидкофазный — ядерное топливо в активной зоне реактора такого двигателя находится в жидком виде. Тяговые параметры таких двигателей выше, чем у твердофазных, за счет более высокой температуры реакторе.

В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.

По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).

Интересным вариантом также является импульсный ЯРД — в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.

Основными преимуществами ЯРД являются:

высокий удельный импульс;

значительный энергозапас;

компактность двигательной установки;

возможность получения очень большой тяги — десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.

Основным недостатком является высокая радиоционная опасность двигательной установки:

потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;

вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;

истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Поэтому запуск ядерного двигателя неприемлем для стартов с поверхности Земли из-за риска радиоактивного загрязнения.

3. «Буревестник» и «Посейдон»

3.1. Буревестник

В середине лета 2018 года российское Минобороны сообщило о подготовке летных испытаний опытных образцов усовершенствованной крылатой ракеты «Буревестник» с ядерной силовой установкой. В военном ведомстве указали, что это малозаметная крылатая ракета с практически неограниченной дальностью, несущая ядерную боевую часть.

«Буревестник» является крылатой ракетой наземного базирования с новой энергоустановкой. Вероятней всего, она представляет собой версию воздушно-реактивного двигателя на основе компактного ядерного реактора достаточной мощности. Официальных данных по энергоустановке нет, как нет и характеристик новой ракеты.

В настоящее время «Буревестник» находится на этапе испытаний, точно известно об успешных испытаниях двигательной установки, об этом писали российские и зарубежные СМИ в январе 2019 года. Принятие ракеты на вооружение планируется через несколько лет, точные сроки не называются.

3.2.  Посейдон

Автономный беспилотный подводный аппарат 2М39 «Посейдон» с ядерной энергоустановкой также можно позиционировать как ответ России на выход США из договора по ПРО. Программа создания предполагает создание многоцелевого автономного аппарата, способного нести разнообразную полезную нагрузку – в т.ч. термоядерный боезаряд большой мощности.

Точных данных о «Посейдоне» Минобороны не рассекречивает.

На сегодняшний день «Посейдон» как и «Буревестник» находится на этапе испытаний. Сроки принятия на вооружение пока не сообщаются.

Некоторые эксперты высказывают предположение, что «Посейдон» является дальнейшей разработкой проекта 50-х годов 20 века советской сверхбольшой торпеды Т-15 с термоядерным зарядом мощностью 100 Мт, электрическим и газогенераторным вариантами силовой установки с дальностью хода соответственно 30 и 50 км. Торпеду планировалось использовать для удара по крупным объектам на океанском побережье США.

В качестве носителя была выбрана первая советская атомная подводная лодка проекта «Кит». Но проект был закрыт из-за невозможности обеспечить скрытность выхода подлодки на дистанцию стрельбы прямоходящей торпедой.

4.Модернизация ядерных боеприпасов.

Ядерные боеприпасы, которые планируется иметь в боеготовом состоянии, подлежат модернизации в ходе соответствующих широкомасштабных программ, рассчитанных на несколько десятилетий. В настоящее время осуществляется полномасштабное производство ядерных зарядных устройств W76-1 для боеголовок БРПЛ «Трайдент-2», общим объемом 1600 единиц. Срок завершения программы стоимостью 3,7 млрд. долл. – 2019 год.На период до 2025 г. планируется программа производства новых управляемых ядерных авиабомб B61-12 общей стоимостью 10 млрд. долл.На период до 2033 г. намечается производство боевой части W80-4 (модернизированная версия существующей боевой части W80-1 крылатых ракет), предназначенной для оснащения разрабатываемой КР воздушного базирования, с ожидаемыми суммарными расходами 7-8 млрд. долл.

5. Исследование.

Цель исследования: узнать, как думают учащиеся о значимости ядерных установок в современном мире.

Задачи исследования:

1.         Составить вопросы.

2.         Создать и провести опрос.

3.         Проанализировать ответы и занести их в таблицу.

4.         Подвести итог опроса.

Таблица результатов

Вопросы	Класс 7	,,+”	Класс 8	,,+’’	Класс11	,,+’’
Как называется реактивный двигатель работающий на жидком топливе? (ЖРД)	12	3	21	10	16	10
Какую скорость должен достигнуть объект, чтобы выйти на околоземную орбиту? (9км/с)	12	1	21	4	16	8
В каком году состоялся первый полет человекав космос? (1961 год)	12	9	21	17	16	16
Самый стрессовый момент в полете ракеты? (Момент макс. Сопротивления атмосферы)	12	2	21	5	16	6
Российский транспортный пилотируемый корабль? (Союз)	12	4	21	4	16	7
Российский грузовой корабль? (Прогресс)	12	6	21	8	16	8

    Итог: Проведя опрос и проанализировав ответы, я убедился, что учащиеся старших классов отвечают лучше младщих классов.

Таблица результатов

Вопросы	Класс 8 (7)	‘’+’’	Класс 9 (8)	,,+’’
Как называется реактивный двигатель работающий на жидком топливе?(ЖРД)	12	4	20	9
Какую скорость должен достигнуть объект, чтобы выйти на околоземную орбиту?(9 км/с)	12	2	20	4
В каком году состоялся первый полет человека в космос?(1961 год)	12	11	20	15
Самый стрессовый момент в полете ракеты?(Момент макс. Сопротивления атмосферы)	12	2	20	6
Российский транспортный пилотируемый корабль?(Союз)	12	5	20	7
Российский грузовой корабль?(Прогресс)	12	4	20	9

Какие плюсы и минусы приносят ядерные установки в современном мире?

Плюсы ядерных установок.	Минусы ядерных установок
Огромная энергоемкость	Тяжелые последствия аварий.
Повторное использование	Ликвидация после выработки ресурса.
Снижение «парникового эффекта»	Трудности переработки  отработавшего ядерного топлива.

Итог:     ...

Заключение

В результате выполнения проекта я обогатил знаниями о реактивном движении и ядерных ракетных двигателях. Овладел навыками поиска литературы в различных источниках (Интернет, научные статьи, справочники). Считаю, что для современной молодежи будет полезен материал моей работы.

Список литературы

1.         Андреев Боевые самолеты / Андреев, Игорь. - М.: Книга и бизнес, 2017. - 159 c.

2.         Иноземцев А.А., Нихамкин М.А. и др. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Том 1 Общие сведения. Основные параметры и требования. Конструктивные и силовые схемы. - М.: Машиностроение, 2008 - 207 с.

3.         Кудрявцев В.Ф.; Совенко А.Ю. Атомный самолет: будущее в прошедшем времени. Журнал «Авиация и Время» (№ 4 за 2004). 

4.         Самолёт с атомным двигателем // Наука и жизнь № 7, 2010.

5.         Ядерная жар-птица // Наука и жизнь № 6, 2008.

Приложения

Рис.1. Принципиальная и конструктивная схемы взрыволета А. Д. Сахарова

Рис. 2. Ракетный двигатель РД-0410

Рис.3. Опрос, 11 класс в 2020-2021.

Рис.4. Опрос, 8 класс в 2020-2021.

Рис.5. Опрос, 7 класс в 2020-2021.

Рис.6. Опрос, 9 класс в 2021-2022.

Рис 7. Опрос, 8 класс в 2021-2022.